ШУМЫ ТРАНЗИСТОРОВ
Основными составляющими собственных шумов транзисторов являются тепловые, дробовые и избыточные шумы.
Тепловые шумы определяются хаотическим тепловым движением носителей заряда в объеме полупроводника или проводника. В результате на концах проводника, обладающего определенным сопротивлением, действует случайная флуктуационная ЭДС, которая называется ЭДС теплового шума Ешт. Тепловые шумы имеют равномерный частотный спектр (белый шум) и оцениваются среднеквадратичной ЭДС шума:
В транзисторах тепловые шумы в основном определяются объемным сопротивлением базы, так как объемное сопротивление эмиттера и коллектора мало за счет большой концентрации носителей в них.
Среднеквадратическая ЭДС теплового шума транзистора
где rб — объемное сопротивление базы.
Дробовые шумы определяются неравномерностью во времени плотности потока носителей заряда коллекторного, эмиттерного и базового токов. ЭДС дробовых шумов складывается из шумов, вносимых переходами эмиттер — база и коллектор — база:
где q— заряд электрона, rэ — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода; IЭ — ток эмиттера; IЭБ0 —обратный ток эмиттера.
На коллекторном переходе ЕДС дробовых шумов в основном зависит от обратного тока коллектора IКБ0
где rК—дифференциальное сопротивление коллекторного перехода.
Шумовые свойства транзисторов характеризуются коэффициентом шума Кш. Коэффициентом шума называется отношение полной мощности шумов в выходном нагрузочном сопротивлении к той его части, которая вызвана тепловыми шумами внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума показывает, во сколько раз ухудшается отношение сигнала к шуму при прохождении сигнала через транзистор:
Kш= 
, (10.3)
где Рвх и Рвых — входная и выходная мощности полезного сигнала; Ршт — мощность тепловых шумов на входе, которая определяется термическими шумами сопротивления источника сигнала Rr:: Pш полн — полная мощность шума на выходе. При согласованной нагрузке по входу, когда Рr = Рвх, мощность тепловых шумов на входе Ршт = E 2 штRr/(Rr + Rвх) 2 или Ршт= E 2 шт/4Rг. Так как E 2 шт=4kTRгПш. Тогда
= 
= 
, (10.4)
где Кр — коэффициент усиления по мощности.
Коэффициент шума обычно выражают в децибелах
=10 
Kш (10.5)
Рис. 10.2. Зависимость коэффициента шума от частоты
Для высокочастотных транзисторов коэффициент шума является одним из основных параметров; его значение приводится в справочниках для комнатной температуры (25° С) и определенного значения сопротивления генератора (для биполярных транзисторов обычно при Rr = 600 Ом). Так, например, транзисторы типа КТ3102Д и КТ3102Е имеют коэффициент шума на частоте 1 кГц, равный 4 дБ, при сопротивлении источника сигнала Rr= 2 кОм. Транзисторы КТ382А имеют коэффициент шума на частоте 400 МГц меньше или равный 3 дБ при Rr=750 Ом.
В области равномерного спектра шума шумы транзистора складываются из тепловых шумов сопротивления базы и дробовых шумов эмиттерного перехода. Рост уровня шумов транзистора на высоких частотах в основном определяется шумами токораспределения (падением коэффициента передачи по току h21б, увеличением тока базы и связанными с этим рекомбинационными флуктуациями).
Шумы в полевых транзисторах включают в себя все три составляющие: тепловой, дробовой и избыточный. Тепловой шум вызывается колебаниями носителей в проводящей среде в условиях теплового равновесия и по своей природе аналогичен шуму омического сопротивления. Дробовой шум является следствием дискретности носителей заряда и хаотичности их образования. На низких частотах наиболее важной составляющей является избыточный шум, удельная мощность которого обратно пропорциональна частоте. Чаще всего избыточный шум связан с изменением электрических свойств материала, возникающего из-за определенных физико-механических явлений. Избыточный шум имеет существенное значение только на очень низких частотах. Как правило, эти шумы гораздо меньше, чем у биполярных транзисторов. Кроме того, у полевых транзисторов отсутствует составляющая шума, связанная с генерационно-рекомбинационными процессами, поэтому основной составляющей являются тепловые шумы в токопроводящем канале.
Коэффициент шума полевых транзисторов зависит от сопротивления источника сигнала Rr и частоты. Зависимости коэффициента шума от этих параметров для некоторых типов транзисторов приведены на рис. 10.3 и 10.4
Коэффициент шума полевых транзисторов зависит от режима работы. С увеличением напряжения смещения на затворе он увеличивается, что обусловлено уменьшением крутизны полевого транзистора. Оптимальным режимом для полевых транзисторов является режим малых напряжений на затворе и стоке. Коэффициент шума имеет значительную зависимость от температуры, он резко возрастает с увеличением температуры выше 300 К (27° С).
Коэффициент шума транзистора что это
ГОСТ 18604.11-88
(СТ СЭВ 3996-83)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
Метод измерения коэффициента шума на высоких и сверхвысоких частотах
Bipolar transistors. Method of measuring noise figure at high and ultra-high frequencies
1. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 27.07.88 N 2775
3. Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 3996-83 и Публикации МЭК 147-2
5. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
Обозначение НТД, на который дана ссылка
Настоящий стандарт распространяется на биполярные транзисторы и устанавливает метод измерения коэффициента шума на высоких и сверхвысоких частотах в диапазоне частот 1·10 до 12,0 ГГц.
Термины и пояснения к ним приведены в приложении 1.
1. ПРИНЦИП, УСЛОВИЯ И РЕЖИМ ИЗМЕРЕНИЙ
1.1. Коэффициент шума транзистора 
представляет собой параметр, показывающий во сколько раз ухудшается соотношение сигнал/шум на определенной частоте за счет собственных шумов транзистора.
1.2. Значение (
) транзистора в общем случае определяется формулой
, (1)
— мощность шума транзистора, Вт.
Для диапазона частот, в котором мощность шума ( ) источника сигнала определяют по формуле
, (2)
— эквивалентная эффективная шумовая температура (ЭШТ) источника сигнала, К;
— эквивалентная полоса частот измерителя шумовой мощности, Гц, отношение мощности шума в правой части формулы (1) можно заменить отношением эквивалентных шумовых температур. Тогда значение (
) рассчитывают по формуле
, (3)
транзистора, работающего в линейном режиме, зависит не только от свойств самого транзистора, но и от коэффициента отражения источника сигнала. Эту зависимость определяют по формуле
, (4)
где 
— минимальный коэффициент шума;
— коэффициент, характеризующий степень зависимости транзистора от условий согласования на его входе;
— комплексный коэффициент отражения источника сигнала;
— комплексный коэффициент отражения источника сигнала, при котором минимален.
Таким образом 
характеризует шумовые свойства транзистора при его работе с источником сигнала, имеющим определенные ЭШТ и коэффициент отражения.
, (5)
. (6)
В процессе измерения осуществляют контроль суммарной мощности шума на выходе измеряемого транзистора. Информация о шумовых свойствах транзистора содержится только во втором слагаемом (см. формулы 1 и 3).
, (7)
1.5. При использовании НГШ измеритель шумовой мощности измеряет суммарную мощность шума ( ), пересчитанную ко входу
. (8)
В соответствии с формулой (8) при использовании НГШ в процессе измерения в результате первоначальной обработки сигнала определяют рабочий коэффициент шума (
) или реальный коэффициент шума (
)
; (9)
. (10)
1.7. Режим питания по постоянному току, условия согласования на входе и выходе измеряемого транзистора и, при необходимости, конкретную схему измерения указывают в технических условиях на транзистор конкретного типа.
Следует учитывать потери в элементах настройки на 
, а также других элементах передающей линии на входе транзистора. В отдельных случаях, в зависимости от свойств и назначения транзистора, допускается задавать 
при сопротивлении источника сигнала, равном волновому сопротивлению линии передачи, например 50 Ом.
1.8. При наличии помех на частоте измерения рекомендуется принимать меры к снижению помех в месте их возникновения или путем проведения измерений в экранированных помещениях. Допускается снижать уровень помех путем перестройки измерительной установки в пределах ±2,5% значения частоты измерения.
1.9. Температура окружающей среды при измерении должна быть в пределах (25±10) °С, если иное не указано в технических условиях на транзистор конкретного типа.
1.10. Измерение проводят на фиксированной частоте, которую указывают в технических условиях на транзистор конкретного типа.
2. АППАРАТУРА
2.1. Измерения следует проводить на установке, электрическая схема которой приведена на чертеже.
Шумы и помехи
Шумы и помехи одинаково мешают осуществлять прием удаленных сигналов, наслаждаться высококачественной музыкой, просматривать фото и видео. Шумы образуются внутри радиоэлектронного устройства (телевизора, радиоприемника, сотового телефона или фотоаппарата). Помехи отличаются от шумов тем, что поступают в радиоэлектронное устройство извне.
Рисунок 1. Основные цепи, на которые воздействуют помехи
На рисунке 1 показаны основные цепи, на которые воздействуют помехи. Конечно, основным приемником помех является вход усилителя. Именно отсюда осуществляется усиление сигнала. И если помеха наведется на вход усилителя, то она будет усилена, и в дальнейшем ее будет очень сложно отделить от полезного сигнала.
Не менее опасным с точки зрения помех являются цепи питания. При этом помехи могут, как образовываться в самих источниках вторичного питания, так и наводиться на соединительные провода. В этом смысле в качестве приемника помех могут служить цепи общего провода. При протекании по ним токов от различных блоков образуется падение напряжения, которое может воздействовать на высокочувствительные узлы устройства.
Основные источники помех:
Магнитное поле воздействует в основном на индуктивные элементы, такие как катушки индуктивности, дроссели или электродинамические микрофоны. При больших интенсивностях магнитного поля оно будет наводить токи помех и на соединительных проводах, в том числе и на цепях питания транзисторов и микросхем.
Электрическое поле по характеру своего воздействия на элементы радиоэлектронной аппаратуры похоже на магнитное поле, но в отличие от магнитного поля, электрическое наводит напряжение или потенциал помехи.
Радиоволны по своему характеру являются электромагнитным полем, поэтому могут наводить на элементы радиоэлектронной схемы, как токи, так и напряжения. Борьба с данным видом помех наиболее сложна, так как токи высокой частоты могут проникать глубоко в экранирующие материалы.
При протекании тока по омическому или индуктивному сопротивлению на нем возникает падение напряжения. В радиоэлектронных устройствах часто одновременно присутствуют мощные блоки или блоки с повышенным уровнем помех и высокочувствительные блоки. Обычно они питаются от одного и того же источника тока. Однако сопротивление корпусного проводника хоть и мало, все же обладает сопротивлением, на котором возникает падение напряжения.
Так как этот же проводник подключен к блоку с высокой чувствительностью, то помеха может проникнуть на выход этого блока. Это означает, что к конструктивному исполнению цепей питания обычно предъявляются повышенные требования.
Учитывая огромное разнообразие возникновения помех в радиоэлектронном устройстве, существует огромное многообразие методов борьбы с помехами. Это и технические и организационные методы борьбы с помехами. Помехи можно подавлять по месту их возникновения и не допускать их проникновение в электрические цепи радиоэлектронного устройства. Обычно при рассмотрении вопроса борьбы с помехами рассматривают технические методы уменьшения уровня помех на выходе устройства.
Технические методы уменьшения помех:
Шум отличается от помех тем, что возникает внутри радиоэлектронного устройства. В качестве источника шума служат радиоэлементы, из которых оно собрано. Основными источниками шума являются следующие элементы:
Шумы усилителя
Шум усилителя определяется в основном шумом транзисторов, которые входят в его состав. Рассмотрим основные составляющие шума транзистора. В качестве примера рассмотрим распределение шума по частоте для полевого транзистора с p-n переходом.
Для того, чтобы можно было сравнивать усилители с разными коэффициентами усиления, шум всегда приводят ко входу схемы. При этом напряжение и ток представляют различными источниками, как это показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Эквивалентные источники шума
Характеристики приведенных ко входу источников шумового напряжения en и тока in для транзистора в звуковом диапазоне частот обычно частотно-независимы. Их типовые частотные характеристики приведены на рисунке 3.
Рисунок 3. Кривая шума полевого транзистора с pn-переходом
Входное шумовое напряжение при нулевом сопротивлении источника сигнала и за диапазоном фликкер-шумов 1/f можно определить следующим образом:
где постоянная Больцмана;
T — температура в градусах Кельвина;
Δf — полоса частот в Гц;
— эквивалентное шумовое сопротивление.
Шумовое напряжение транзистора достаточно точно аппроксимируется формулой теплового шума (шум Джонсона). Оно возникает на омическом сопротивлении канала полевого транзистора. Отклонение от этой зависимости наблюдается на частотах ниже 100 Гц. Это связано с проявлением фликкер-шумов.
Фликкер-шум возникает из-за неоднородности кристаллической решетки полупроводника и поверхностных эффектов. Он проявляется в случайной флуктуации проводимости. В области фликкер-шумов формула определения напряжения шума видоизменяется следующим образом:
где n изменяется от 1 до 2 в зависимости от конкретного экземпляра транзистора.
Источник шумового тока генерирует ток in, который можно определить следующим образом:
где заряд электрона;
IЗ — ток затвора, измеренный на постоянном токе (А);
Δf — полоса частот (Гц).
Выражение будет точно описывать шум, если ток затвора транзистора определяется только объемной проводимостью полупроводника. Проводимость может увеличиться из-за загрязнений при подключении кристалла к выводам корпуса.
На высоких частотах, в области дробовых шумов (см. рисунок 3), in приблизительно равен тепловому току шума, генерируемому на резисторе:
где реальная часть входного импеданса;
Точка перегиба частотной характеристики f2 на рисунке 3 зависит от партии транзисторов и конкретного экземпляра. Она может меняться от 5 кГц до 50 кГц.
Коэффициент шума транзистора
Коэффициент шума F определяет увеличение шума, приведенного к входу транзистора, по сравнению с шумом, генерируемым на внутреннем сопротивлении источника сигнала. Формула для коэффициента шума определяется следующим образом:
В данной формуле используется значение мощности шумов, приведенное к входу транзистора. С учетом выражений (1) и (3) выражение определения коэффициента шума транзистора принимает вид:
Коэффициент шума показывает, насколько увеличивается шум на выходе транзистора. Его обычно выражают в децибелах при заданном сопротивлении источника сигнала Rг.
Если сравнивать параметры полевого и биполярного транзистора в области звуковых частот по коэффициенту шума, то полевой транзистор проиграет из-за влияния сопротивления источника сигнала Rг. Поэтому при определении шумовых характеристик полевого транзистора с p-n переходом лучше пользоваться en и in. Когда наиболее критичным параметром усилителя является его шум, производится выбор значения сопротивления источника сигнала с точки зрения минимизации шума.
У биполярного транзистора значения en и in сильно зависят от тока коллектора. У полевого транзистора зависимость шума от тока стока проявляется незначительно.
Минимальное значение напряжения шумов en полевого транзистора достигается при нулевом значении напряжения затвор-исток, так как при этом напряжении достигается максимальное значение крутизны переходной характеристики транзистора. Данное утверждение будет верно только при условии, что рассеиваемая на транзисторе мощность будет незначительна по сравнению с предельным значением.
На рисунке 4 показана зависимость напряжения шумов en от изменения тока стока транзистора. Обратите внимание на значительную зависимость en от тока коллектора для биполярных транзисторов и небольшое ее изменение для полевых транзисторов.
Рисунок 4. Кривая шумового напряжения полевого транзистора с pn-переходом
Аналогично шумовому напряжению, минимальный шумовой ток полевого транзистора должен достигаться при нулевом значении напряжения затвор-исток. На практике отмечается очень слабая зависимость in от положения рабочей точки полевого транзистора. На рисунке 5 показаны зависимости шумового тока в зависимости от тока стока. На этом же рисунке для сравнения приведены кривые тока in для биполярного транзистора, показывающие резкое изменение этого параметра в зависимости от тока коллектора.
Рисунок 5. Кривая шумового тока полевого транзистора с pn-переходом
При выборе транзистора для первого каскада очень важно определить необходимый коэффициент шума, а он зависит от тока коллектора, сопротивления источника сигнала и конкретного типа транзистора. Зависимость коэффициента шума от сопротивления источника сигнала для биполярного и полевого транзисторов приведена на рисунке 6.
Рисунок 6. Зависимость коэффициента шума от сопротивления источника на частотах 10 Гц и 1 кГц
Как видно из данных графиков в области звуковых частот и небольших значений сопротиления источника сигнала некоторое преимущество имеют биполярные транзисторы, однако при большом сопротивлении источника сигнала неоспоримое преимущество получают полевые транзисторы.
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Шумы и помехи» читают:
Амплитудная характеристика Одним из наиболее важным параметров радиоэлектронного устройства является его амплитудная характеристика.
https://digteh.ru/Sxemoteh/LinPar/AmplHar/
Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин
Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).
А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.
Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.
